Ta2O5 PHA tạp NITƠ

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠNNGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG LÀM CHẤT XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU Ta2O5 PHA TẠP NITƠ LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài: Học viên thực hiện: Trương T

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG LÀM

CHẤT XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU

Ta2O5 PHA TẠP NITƠ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đề tài:

Học viên thực hiện: Trương Thị Mỹ Trúc

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Võ Viễn

CẤU TRÚC LUẬN VĂN

1- Lý do chọn đề tài

2- Mục tiêu nghiên cứu

3- Nội dung nghiên cứu

4- Phương pháp nghiên cứu

5- Kết quả - Thảo luận

Thân thiện với môi trường, có khả

năng tái sinh

Chi phí sản xuất thấp

Tạo được các tác nhân oxi hóa rất mạnh

Sử dụng được năng lượng mặt trời

Cơ chế xúc tác quang

Vật liệu Ta2O5

1 Ưu điểm : Ta2O5 tạo được các lớp bao phủ khá tốt và ổn định nhiệt, có hoạt tính cao trong việc phân hủy các phân tử hợp chất hữu cơ dưới sự bức xạ tia cực tím nên vật liệu này có tính năng quang xúc tác hiệu quả

2 Nhược điểm: Năng lượng vùng cấm còn cao (Eg ~ 3,8eV) ; sự tái kết hợp nhanh giữa eCB - và h VB + quang sinh → làm giảm hiệu suất của xúc tác quang.

3 Hướng khắc phục:

- Giảm năng lượng vùng cấm → pha tạp (nitơ).

Hình 1.1 Dạng bề ngoài của Tantan (V)

oxit

► “ Nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng làm chất xúc tác quang của vật liệu Ta2O5 pha tạp Nitơ ”.

2 Mục tiêu nghiên cứu

Tổng hợp và biến tính vật liệu Ta2O5 có hoạt tính xúc tác quang hiệu quả trong vùng ánh sáng khả kiến cho phản ứng phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại có trong nước.

3 Nội dung chính của đề tài

♦ Tổng hợp vật liệu

♦ Đặc trưng vật liệu

♦ Đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu dưới chiếu xạ của ánh

sáng khả kiến

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

4.1.3 Tổng hợp vật liệu xúc tác compozit g-C3N4/Ta2O5 mao quản trung bình pha tạp nitơ

4.1.4 Tổng hợp vật liệu xúc tác Ta2O5 mao quản trung bình

pha tạp nitơ

A-Ta2O5 + melamin

(Tỉ lệ 1:3)

Nung 500oC 1h

4.1.5 Tổng hợp vật liệu xúc tác compozit g-C3N4/Ta2O5

NungTa2O5 + melamin

Chất rắn (N-Ta2O5)

4.2 Đặc trưng vật liệu

Nhiễu xạ tia X (XRD)

Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)

Phổ UV-Vis trạng thái rắn Kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ- khử hấp phụ NiTơ

Phương pháp phân tích nhiệt TG-DTA

4.3 Đánh giá hoạt tính

xúc tác quang

5 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

• Với 2θ = 27,3o tính được d002 = = 3,3 Å - bề dày của 1 tấm.

Xác nhận sự có mặt các pic đặc trưng của g-C3N4 tổng hợp từ melamin.

13,4o(100)

(002)

Cacbon nitrua có cấu trúc lớp kiểu graphit (g- C3N4)

Hình 3.3 Ảnh TEM của vật liệu g-C3N4 Hình 3.4 Ảnh SEM của vật liệu g-C3N4

* Hình ảnh TEM cho thấy hình dạng các tấm xếp chồng lên nhau, giữa các lớp có một khoảng cách được phân lập rõ ràng, đặc điểm này hình thành nên mạng lưới không gian đặc trưng theo kiểu kiến trúc lớp graphit của g-C3N4

* Hình ảnh SEM cũng chỉ ra đặc trưng kiểu lớp của vật liệu g-C3N4.

5.1.4 PHƯƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI (IR)

Hình 3.5 Phổ hồng ngoại của g-C3N4

νC-N( Nsp3)

Lk C-N vòng thơm

νC=N

Dao động kéo dài của amin thứ cấp

và sơ cấp và các phân tử liên kết

hiđro

5.1.5 PHỔ UV-Vis trạng thái rắn

Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn phổ UV-Vis trạng thái rắn của vật liệu g-C3N4 Hình 3.7 Đồ thị sự phụ thuộc hàm Kubelka – Munk theo năng lượng ánh

sáng bị hấp thụ của mẫu g-C3N4

5.2 ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU Ta2O5 BIẾN TÍNH

5.2.1 Vật liệu A-Ta2O5

Hình 3.8 Giản đồ nhiễu xạ tia X của A-Ta2O5

(a) góc bé, (b) góc lớn

đường kính mao quản không lớn

Cấu trúc mao quản trung bình

Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn theo tọa độ BET của hấp phụ N2 trên vật

5.2.2 Vật liệu composit g-C3N4/A-Ta2O5

Sau khi thu được vật liệu mao quản trung bình A-Ta2O5, sử dụng vật liệu này để biến tính bởi nung với melamin lần thứ nhất, ký hiệu là 1N-A- Ta2O5, sau đó dùng 1N-A- Ta2O5 nung với melamin một lần nữa, mẫu được ký hiệu

là 2N-A- Ta2O5 Để so sánh, dùng Ta2O5 thương mại nung với melamin, mẫu ký hiệu là 1N- Ta2O5

Hình 3.13 Hình ảnh của các vật liệu tổng hợp

Nhiễu xạ tia X (XRD)

5.2.2 Vật liệu composit g-C3N4/A-Ta2O5

Hình 3.14 Giản đồ XRD của các mẫu

55,5o

27,4o

g-C3N4

Hình 3.15 Ảnh SEM của các mẫu A- Ta2O5(a), 1N-A- Ta2O5 (b),

2N-A- Ta2O5 (c) và 1N- Ta2O5 (d)

Hiển vi điện tử quét (SEM)

kích thước không đồng

đều, kết dính với nhau

g -C3N4 hình thành bao bọc trên các hạt của hình (a)

Hình 3.16 Phổ hồng ngoại của vật liệu A-Ta2O5; 1N-A-Ta2O5, 2N-A-Ta2O5 và

Phổ UV-Vis trạng thái rắn

Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn phổ UV-Vis trạng thái rắn của các vật liệu A-Ta2O5;

1N-A-Ta2O5, 2N-A-Ta2O5, 1N-Ta2O5

Mẫu vật liệu Đỉnh pic hấp thụ (nm) Eg (eV)

Bảng 3.1 Năng lượng vùng cấm của các vật liệu

Vật liệu sau khi biến tính Eg giảm 3,88 eV(A-Ta2O5 ) → 2,76 eV

(1N-A-Ta2O5, 2N-A-Ta2O5)

Phương pháp phân tích nhiệt (TG-DTA)

Hình 3.18 Đường TG-DTA của vật liệu A-Ta2O5

Phương pháp phân tích nhiệt (TG-DTA)

Hình 3.19 Đường TG-DTA của vật liệu 1N-A-Ta2O5

Phương pháp phân tích nhiệt (TG-DTA)

Hình 3.20 Đường TG-DTA của vật liệu 2N-A-Ta2O5

Mẫu Nhiệt độ Khối lượng giảm Nguyên nhân

A-Ta2O 5 Dưới 200oC(pic thu nhiệt ở 80

oC)

1N- A-Ta2O 5 400-600 oC 50% g-C3N4 bị phân hủy

2N- A-Ta2O 5 400-600 oC 80% g-C3N4 bị phân hủy

Bảng 3.2 Phân tích TG-DTA của vật liệu A-Ta2O5,

1N-A-Ta2O5,2N-A-Ta2O5

5.2.3 Đặc trưng vật liệu A- Ta2O5 pha tạp N

Hình 3.21 Ảnh của các mẫu 1N-A- Ta2O5 650, 2N-A- Ta2O5 650, 3N-A- Ta2O5

650

Các sản phẩm composit của Ta2O5 mao quản trung bình với g-C3N4 (1N-A- Ta2O5, 2N-A- Ta2O5 và 3N-A- Ta2O5), các sản phẩm này được nung ở 650 oC để loại g-C 3N4

Nhiễu xạ tia X(XRD)

Hình 3.22 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu 1N-A- Ta2O5 650, 2N-A- Ta2O5 650, 3N-A- Ta2O5 650

Giản đồ XRD chỉ ra có một pha duy nhất là Ta2O5 và đặc biệt không có sự xuất hiện pic ở 27 độ Điều này chứng tỏ ở nhiệt độ nung này g-C3N4 đã bị phân hủy.

Phổ hồng ngoại (IR)

Hình 3.23 Phổ hồng ngoại của các mẫu 1N-A- Ta2O5 650, 2N-A- Ta2O5 650, 3N-A- Ta2O5 650

Phổ IR cho thấy các pic thuộc về Ta2O5, không quan sát được các pic đặc trưng cho g-C3N4 Điều này một lần nữa chứng minh g-C3N4 đã bị phân hủy khi xử lý mẫu ở 650 oC.

5.3 KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG

Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu Ta2O5 biến tính

Hình 3.25 Đồ thị biểu diễn hấp phụ của các vật liệu A- Ta2O5; 1N-A-Ta2O5,

2N-A-Ta2O5

3 mẫu vật liệu hấp phụ mạnh trong giờ đầu tiên, giảm nhanh trong giờ thứ hai và cân bằng được thiết lập sau khoảng thời gian 2 giờ 2 giờ là thời gian khuấy trong bóng tối để khảo sát khả năng xúc tác quang.

So sánh hoạt tính xúc tác của g- C3N4 với Ta2O5

cấu trúc mao quản, pha tạp Nitơ

Hình 3.26 Đồ thị biểu diễn hoạt tính xúc tác quang của các vật liệu g-C3N4, A-Ta2O5, 1N-A-Ta2O5,

• Vật liệu sau khi biến tính hoạt tính xúc tác cao hơn g-C3N4 và A-Ta2O5

• 1N-A-Ta2O5 hoạt tính xúc tác cao hơn 2N-A-Ta2O5 do lượng g-C3N4 trong 2N-A-Ta2O5 làm che phủ Ta2O5 →hiệu suất giảm hoạt tính xúc tác Riêng đối với 1N-A-Ta2O5 có hiệu ứng cộng hợp (synergistic effect) giữa Ta2O5 và g- C3N4

Hình 3.27 Đồ thị biểu diễn hoạt tính xúc tác quang của các vật liệu

1N-A-Ta2O5, 1N-Ta2O5

Ta2O5 ở dạng mao quản tốt hơn so với dạng khối, dạng thương mại dùng trực tiếp

So sánh hoạt tính xúc tác của Ta2O5 cấu trúc mao quản, pha tạp Nitơ với g-C3N4/ Ta2O5

H=82,8%

H=61,1%

So sánh hoạt tính xúc tác của Ta2O5 mao quản trung bình pha tạp nitơ

Hình 3.28 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc C/Co của xanh metylen theo thời gian phản ứng t trên các vật liệu 1N-A-Ta2O5

650, 2N-A-Ta2O5 650 và 3N-A-Ta2O5 650

Vật liệu 3N-A-Ta2O5 650 có hoạt tính xúc tác quang cao nhất là do lượng nitơ thay thế oxi trong liên kết Ta-O của vật liệu này nhiều nhất.

Nghiên cứu quá trình động học phản ứng

Hình 3.29 Đồ thị mô phỏng mô hình Langmuir-Hinshelwood của các vật liệu

g-C3N4, A-Ta2O5, 1N-A- Ta2O5, 2N-A- Ta2O5

Hình 3.30 Đồ thị mô phỏng mô hình Langmuir-Hinshelwood của các vật liệu 1N- Ta2O5,

1N-A- Ta2O5 650, 2N-A- Ta2O5 650, 3N-A- Ta2O5 650

Quá trình xúc tác quang tuân theo mô hình Langmuir-Hinshelwood

STT Mẫu vật liệu Hằng số tốc độ k Hệ số hồi quy R2

Nghiên cứu quá trình động học phản ứng

quang tốt nhất trong số 8 mẫu điều chế được.

KẾT LUẬN

1 Đã tổng hợp được mẫu vật liệu g-C3N4 từ melamin bằng cách nung trong một cốc kín ở 500 oC trong 1 giờ.

2 Vật liệu Ta2O5 mao quản trung bình có diện tích bề mặt 57,86 m 2/g và kích thước mao quản từ 3-5 nm đã được tổng hợp thành công.

3 Đã tổng hợp được các vật liệu compozit giữa g-C3N4 và Ta2O5 với các hàm lượng g-C3N4/Ta2O5 khác nhau.

4 Vật liệu Ta2O5 mao quản trung bình pha tạp nitơ cũng điều chế được bằng cách nung các compozit g-C3N4/ Ta2O5

ở 650 oC.

5 Các vật liệu thu được đều có khả năng phân hủy xanh metylen dưới điều kiện ánh sáng khả kiến Mẫu có hoạt tính tốt nhất là mẫu composit chứa Ta2O5 dạng mao quản trung bình và lượng g-C3N4 thích hợp Việc tăng hàm lượng hoặc không có g-C3N4 trong composit đều cho kết quả không tốt Mẫu composit chứa Ta2O5 dạng khối cũng không tốt bằng Ta2O5 dạng mao quản.

Từ các kết quả đạt được khi nghiên cứu biến tính Ta2O5 để ứng dụng làm chất xúc tác quang, đề tài có thể phát triển theo các hướng sau:

• Khảo sát các yếu tố thực nghiệm ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu compozit

g-C3N4/Ta2O5 cấu trúc mao quản trung bình.

• Pha tạp thêm các kim loại như Ag, Cu để làm giảm sự tái tổ hợp của cặp điện tử và

lỗ trống từ đó tăng hoạt tính xúc tác quang của vật liệu.

KIẾN NGHỊ

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô và các bạn đã

lắng nghe